От генов к организмам эволюция морфологических признаков

1.

От генов к организмам эволюция морфологических
признаков...
Юлия Александровна Краус,
внс кафедры биологической эволюции

2.

ГЕН
ОНТОГЕНЕЗ
ПРИЗНАК

3.

Найден ген регенерации
Ученые обнаружили ген,
делающий людей
пессимистами
14.10.2013 07:59 / Наука / Прочли: 615 человек
Поделиться
Научные сотрудники университета Британской Колумбии
впервые провели исследование, которое показывает связь
между восприятием мира и генами. Ученым удалось выделить
ген, который предрасполагает к мрачному восприятию мира,
делает человека
Найден ген регенерации
11:53 17.05.2011
Учёные из Северо-Западного университета (Northwestern
University), США, и Массачусетского технологического
института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) открыли
ген, позволяющий плоским червям планариям (лат.
Planariidae) отращивать вместо утраченной части тела –
головы или хвоста – нужную новую на замену. Статья по
результатам их исследования вышла в журнале Science.
Планарии – маленькие черви размером от 2 мм до 2 см и
весьма сложным строением тела, насчитывающего порядка
миллиона клеток – известны тем, что могут вновь
восстановить своё тело даже из самого маленького кусочка.

4.

1 ГЕН = 1 ПРИЗНАК

5.

Жизненный цикл - Онтогенез

6.

сложный жизненный цикл

7.

М
М
М
М
М

8.

Можно ли изменить жизненный цикл?
М

9.

Cnidaria

10.

Medusozoa
Scyphozoa
Anthozoa
Cubozoa
Hydrozoa
Staurozoa
(Marques, Collins, 2004; Collins, 2006)

11.

Cnidaria, Scyphozoa
метагенез
Aurelia aurita

12.

Типичный жизненный цикл сцифоидной медузы
adult medusa
polyp
У сцифидов
полип
преобразуется в
стопку дисков, из
которых
развиваются
личинки - эфиры.
Эфиры
отсоединяются,
растут, и из них
развиваются
половозрелые
медузы.
ephyra

13.

Aurelia aurita
Стробиляция Aurelia
beginning of strobilation
by Alexandr Semyonov
polyp
strobilation

14.

Scyphozoa
Pelagia noctiluca

15.

Насколько сильно может измениться
фенотип организма в ходе эволюции
жизненного цикла?

16.

17.

Стрекательные клетки Cnidaria - книдоциты

18.

Myxozoa

19.

Облигатный паразит - паразитический
организм, который не может завершить свой
жизненный цикл без использования
организма - хозяина. Если хозяин
недоступен, паразит не может размножаться.
Для облигатных паразитов характерно
огромное разнообразие жизненных циклов и
очень своеобразное строение.

20.

Схема жизненного цикла одного из
представителей Myxozoa, паразитирующего на
рыбах и кольчатых червях.
Yokoyama et al., 2012

21.

Две стадии жизненного цикла Myxozoa
актиноспора
миксоспора
polar capsules
sporoplasm
valves

22.

Стрекательные клетки Cnidaria - книдоциты

23.

Разнообразие фенотипов можно
обнаружить и на одной и той же
стадии жизненного цикла.
omnivore morph
carnivore morph
New Mexico spadefoot
toad (Spea multiplicata).
feed on the pond bottom
on detritus
feed in the water column
on fairy shrimps
These two tadpoles are same-aged full siblings.
Plains spadefoot toad (Spea
bombifrons).
(http://sites.sinauer.com/ecology3e/problem12.html)

24.

Как же такие разные фенотипы могут
формироваться на основе одного и
того же генотипа ?

25.

ГЕН -- БЕЛОК

26.

РЕГУЛЯЦИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОМА

27.

Triops (Notostraca)
Daphnia cucullata
Daphnia magna
Scanning electron micrograph showing
typical and predator - induced morphs of
Daphnia cucullata of the same clone.
Inducible defence in D. magna. Adult D. magna
showing increased bulkiness after Triops induction
(right) compared to control animal (left). (Photo: M.
Rabus).

28.

Дифференциальная экспрессия, обусловленная
эпигенетической "разметкой" генома
(метилирование ДНК, модификация гистонов,
переупаковка хроматина)

29.

Дифференциальная экспрессия, обусловленная
эпигенетической "разметкой" генома
(метилирование ДНК, модификация гистонов,
переупаковка хроматина)

30.

фенотип
генотип
онтогенез

31.

Варианты окраски глаз зависят от
количества и распределения пигмента
меланина в радужной оболочке.
http://www.bioscienceexplained.org; Sturm, Frudakis, 2012.

32.

Биосинтез меланина
Регуляция синтеза меланина
в меланоците

33.

Упрощенная схема биосинтеза меланина

34.

В середине XX века Адольф Ремане сформулировал три критерия гомологии:
* Критерий положения. Гомологичными считаются части, занимающие сходное
положение относительно других частей тела.
* Критерий специального качества. Гомологичными могут считаться только те
структуры, которые сходны между собой по тонкому строению.
* Критерий переходных форм. Если две формы не сходны друг с другом, но
связаны непрерывным рядом «переходных форм», то их можно считать
гомологичными.
+ Критерий развития. Гомологичными считаются органы, сходным образом
развивающиеся из одинаковых эмбриональных зачатков.
Онтогенез
передней
конечности.
Онтогенез 3.

35.

?

36.

1 ГЕН = 1 ПРИЗНАК

37.

1 ПРИЗНАК / СТРУКТУРА = 1 ФУНКЦИЯ

38.

Функция 1
Функция 1
признак
Функция 1
Функция 1
ФУНКЦИЯ = НАПРАВЛЕНИЕ ЭВОЛЮЦИИ !!!!

39.

Onthophagus acuminatus (Coleoptera: Scarabaeidae).

40.

Жизненные стратегии жуков – скарабеев.

41.

Схема развития рогов у жуков - скарабеев.
Emlen D J et al. PNAS 2007;104:8661-8668
©2007 by National Academy of Sciences

42.

43.

Зависимость размера рогов от размера тела.

44.

«Цена» формирования рогов.

45.

Nutrition-dependent phenotypic plasticity and allometry in insects.
Emlen D J et al. PNAS 2007;104:8661-8668
©2007 by National Academy of Sciences

46.

Имагинальные диски личинки.
Жизненный цикл Drosophila
Имагинальный диск конечности

47.

РАЗВИТИЕ КОНЕЧНОСТИ Drosophila.
эмбрион
имагинальный диск
эмбрион
Экспрессия distal-less

48.

Пример генетической
регуляторной сети.
Levine M , and Davidson
E H PNAS 2005;102:49364942
©2005 by National Academy of Sciences

49.

Генетическая регуляторная сеть,
обеспечивающая дифференцировку
и
рост
имагинального
диска
конечности Drosophila. Сигнальные
молекулы и факторы транскрипции
регулируют
направленную
пролиферацию клеток.
en, engrailed; Hh, Hedgehog; Ubx,
Ultrabithorax; Dpp, Decapentaplegic;
omb, optomotor-blind; Dll, Distal-less;
al, arista-less; EGF, epidermal growth
factor

50.

Экспрессия генов модуля регуляторной сети в конечности и рогах жуков.

51.

Как регулируется формирование рисунка на
крыльях бабочек?

52.

Экспрессия одинаковых генов при формировании
негомологичных структур.
транскипционный фактор Distal-less
Dll, закладка рога у
жука-скарабея
Dll, закладка пятна на
крыле бабочки
Spal, закладка
конечности насекомого
Dll, закладка
конечности насекомого
Spal, пятна на крыле
бабочки
транскипционный
фактор Spalt
Monteiro A, Podlaha O (2009) Wings, Horns, and Butterfly Eyespots: How Do Complex Traits Evolve?. PLoS Biol 7(2): e1000037.
doi:10.1371/journal.pbio.1000037
http://www.plosbiology.org/article/info:doi/10.1371/journal.pbio.1000037

53.

кубомедуза
осьминог
муха
ястреб
ЭВОЛЮЦИЯ ГЛАЗА

54.

Tripedalia, Chiropsella (Cnidaria, Cubozoa)

55.

Строение глаз кубомедуз.

56.

57.

Строение глаз человека и осьминога.
Ogura A et al. Genome Res. 2004;14:1555-1561
Cold Spring Harbor Laboratory Press

58.

Модуль генетической регуляторной сети,
обеспечивающий формирование глаз.
Pax6

59.

ЭКТОПИЧЕСКАЯ ЭКСПРЕССИЯ
Pax6 в эксперименте.

60.

Существуют ли у разных глаз гомологичные элементы?
Walter J. Gehring,
Professor at the Biozentrum
of the University of Basel,
Switzerland.

61.

Фоторецепторы
–
светочувствительные
нейроны,
расположенные в сетчатке глаза.
Фоторецепторы
превращают
световой сигнал в электрический.
Зрительный пигмент в наружном
сегменте фоторецептора «собирает»
фотоны
и
инициирует
каскад
биохимических реакций, меняющих
мембранный
потенциал
(заряд
мембраны) клетки.

62.

РОДОПСИН
родопсин
метародопсин
ФОТОИЗОМЕРИЗАЦИЯ
Присутствие зрительных пигментов-опсинов в
фоторецепторах разных животных

63.

ФОТОТРАНСДУКЦИОННЫЙ КАСКАД
Под воздействием света родопсин переходит в активную форму, Rh*,
которая активизирует каскад биохимических реакций. Этот каскад
регулирует работу ионных каналов, что позволяет транспортировать ионы
через мембрану клетки и, таким образом, менять ее потенциал.

64.

Существуют ли у разных глаз гомологичные элементы?
Walter J. Gehring,
Professor at the Biozentrum
of the University of Basel,
Switzerland.